CN103522554A - 复合材料用的预浸料真空辅助制造方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合材料用的预浸料真空辅助制造方法和装置，制造方法，包括如下步骤：（1）涂覆了热固性树脂的第一离型层薄膜与复合在树脂上的增强纤维或其织物在真空环境下进行浸润，获得浸润物；（2）完成真空辅助浸润过程后，将所述浸润物覆盖第二层离型薄膜后加热加压，即可获得所述复合材料用的预浸料。本发明的制造方法，适用于不同粘度的树脂，从而树脂的选择更为广泛。该工艺也降低了对压力和温度的要求，从而简化了生产设备和操作监控。广泛的树脂选择和简化的工艺流程，不但降低了生产成本，而且扩大了预浸料的应用范围。

Description

复合材料用的预浸料真空辅助制造方法和装置
技术领域
本发明涉及复合材料用的预浸料制造方法和装置。
背景技术
增强纤维或织物与热固性树脂混合后，经固化后成为复合材料。复合材料广泛地应用于航空，汽车，建筑和运动器材等领域。预浸料是常用的制造复合材料的中间产品。
预浸料为柔韧的宽带。该宽带系由增强纤维或织物为涂复在离型薄膜上的热固性树脂所浸润，然后树脂部分固化而制成。表面覆以离型薄膜后成为中间产品，可用于制造复合材料产品。
在复合材料产品的制造过程中，一定数量和形状的预浸料除去覆盖的离型薄膜叠合后放入相应模具。然后施加一定的压力和温度，上述叠合的预浸料便在压力之下加热固化成为所需的复合材料产品。
目前，常规的制造预浸料的过程包括如下步骤：
液态热固性树脂涂覆到第一层离型薄膜上面。离型薄膜通常为防粘纸或聚乙烯薄膜。涂覆树脂的离型薄膜与另一层涂覆或不涂覆树脂的离型薄膜输入一对滚筒之间。与其同步，与树脂层等宽的增强纤维或织物也夹入上述两层薄膜之间输入上述一对滚筒。第一层薄膜，增强纤维或织物和第二层薄膜叠合后经过压力滚筒和加热板。在压力和温度之下，增强纤维或织物为薄膜上的树脂所浸润。最后经过冷却收卷成为预浸料备用。
众所周知，树脂必须充分浸润增强纤维或织物才能制造性能优异的复合材料制品。为达到充分的浸润，树脂的初始粘度必须要低，而温度和压力必须要高。如上诸因素，使得树脂的选择受到限制，而且预浸料的生产设备和操作监控趋于复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合材料用的预浸料真空辅助制造方法和装置，以克服现有技术存在的上述缺陷。
本发明所述的方法，包括如下步骤：
（1）涂覆了热固性树脂的第一离型层薄膜与复合在树脂上的增强纤维或其织物在真空环境下进行浸润，随着空气的抽除，热固性树脂渗透入增强纤维或织物，浸润过程得以完成，获得浸润物；
所述第一离型层薄膜为防粘纸或聚乙烯膜，热固性树脂可以有较宽的粘度范围，比如40℃时的粘度为2，000～30，000cp；
优选的，所述热固性树脂为环氧树脂，乙烯基树脂和不饱和聚酯或聚氨脂等热固性树脂；
所述增强纤维或其织物没有限制，如为无机、有机或金属增强纤维或其织物。无机类包括碳纤维、硼纤维、玻璃纤维，硅碳纤维及其相应的织物、铝化纤维或有机硅碳纤维等或其织物；有机类包括芳纶纤维和聚乙烯纤维及其相应的织物。金属类包括铝纤维，钢纤维和钛纤维及其相应的织物；
热固性树脂的涂覆厚度取决于增强纤维或织物的重量，增强纤维或其织物与热固性树脂的重量比为100/28～100/40，优选比例为100/35；
浸润时的真空度愈高愈有利于浸润，囿于设备的限制，实际操作中，不应低于700毫米水银柱，优选的，真空度为720～750毫米水银柱，进一步优选的，真空度为730～745毫米水银柱；
浸润时的操作温度取决于所用热固性树脂的反应活性，其范围在40C～120℃；
涂覆了热固性树脂的第一离型层薄膜与复合在树脂上的增强纤维或其织物在真空环境下的停留时间不应少于30秒，时间过短，浸润过程无法及时完成，一般为30～60秒，时间过长可能导致树脂成分逃逸，影响最终产品性能；
（2）完成真空辅助浸润过程后，所述浸润物覆盖第二层离型薄膜后进入常规预浸料制造程序，即加热加压，冷却后收卷，即可获得所述的复合材料用的预浸料；所述预浸料制造工艺为公知的技术，请参见“Prepreg Technology”Hexcel Corporation，March2005，publication No.FGU017b及美国专利5,387,301等文献，本发明不再赘述；
本发明的制造方法，适用于不同粘度的树脂，从而树脂的选择更为广泛。该工艺也降低了对压力和温度的要求，从而简化了生产设备和操作监控。广泛的树脂选择和简化的工艺流程，不但降低了生产成本，而且扩大了预浸料的应用范围。
附图说明
图1为预浸料真空辅助制造方法的装置结构示意图。
图2为真空室的装置结构和树脂对纤维织物的渗透示意图。
具体实施方式
参见图1～2，用于实现本发明的方法的装置，包括第一离型薄膜卷筒1、热固性树脂涂布设备2、加热装置3、增强纤维或其织物储存卷筒4、热压导向滚筒5、与真空源6相连通的真空室7、加热加压区8、冷却区9、第二离型薄膜收放装置10和预浸料成品收卷筒11；
所述真空室7的一侧设有进口701，另一侧设有出口702，所述进口701和出口702之间为加工通道703，所述进口701和出口702均设有允许涂覆了热固性树脂201的第一离型层薄膜101与复合在热固性树脂上的增强纤维或其织物401通过并同时维持真空度的密封构件30；
如图2所示，优选的，所述密封构件30为门帘式密封装置，所示门帘式密封装置包括上密封门帘301和下密封门帘302，所述上密封门帘301的一端通过连接构件303与所述进口4和出口5的上端相连接，另一端向下延伸至所述的加工通道703；所述下密封门帘302的一端通过连接构件303与所述进口4和出口5的下端相连接，另一端向上延伸至所述的加工通道703；
上密封门帘301和下密封门帘302的材料优选采用橡胶或类似材料制成，肖氏A硬度为70～90；
所述真空室7设置在所述第一离型薄膜卷筒1、树脂涂布设备2和增强纤维或织物储存卷筒4之后；
所述热压导向滚筒5、加热加压区8、冷却区9、第二离型薄膜收放装置10和预浸料成品收卷筒11依次设置在真空室7的另一侧；
优选的，还包括切割轮12，所述切割轮12设置在收卷筒11之前；
热固性树脂涂布设备2优选滚筒、刮刀式或行星轮等，没有限制；
图1的示意图，所述装置是水平方向的，显然，也可以是垂直方向或任何角度设置，并不影响本发明的实施。
采用上述装置，实现本发明的方法，包括如下步骤：
（1）将第一离型薄膜101从第一离型薄膜卷筒1送入加热装置3加热至40℃～120℃，取决于树脂的反应活性，热固性树脂201通过热固性树脂涂布设备2，将树脂201涂覆到第一层离型薄膜101上，涂覆了热固性树脂201的第一层离型薄膜101，通过密封构件30进入真空室7，与其同步，增强纤维或其织物401，也从增强纤维或其织物储存卷筒4通过密封构件30进入真空室7，并覆盖在所述热固性树脂201上，在所述的加工通道703中，随着空气的抽除，热固性树脂1渗透入增强纤维或其织物401中，浸润过程得以完成，获得浸润物50；
热固性树脂的涂覆厚度取决于增强纤维或织物的重量，增强纤维或其织物与热固性树脂的重量比为100/28～100/40，优选比例为100/35；
真空室7的真空度不应低于700毫米水银柱，温度为40℃～120℃，取决于树脂反应活性；优选的，真空度为720～750毫米水银柱，进一步优选的，真空度为730～745毫米水银柱；
涂覆了热固性树脂的第一离型层薄膜与复合在树脂上的增强纤维或其织物在真空室7中的停留时间以完成浸润为目的，一般为30秒到60秒钟；
（2）然后，在收卷筒11牵引下，所述浸润物50进入加热加压区8，通过所述热压导向滚筒5进行热压，与其同步，涂覆或不涂覆树脂层的第二层离型薄膜110，也从第二离型薄膜收放装置10输入热压导向滚筒5，第二层离型薄膜110覆盖在浸润物50上面，第二层离型薄膜110的目的是防止热固性树脂201中的挥发成份逃逸而影响树脂性能，第一层离型薄膜101、热固性树脂201、增强纤维或其织物131、透气层19和第二层离型薄膜701在加热加压区8，通过热压导向滚筒5的热压，复合在一起，然后经过冷却区9冷却，第二层离型薄膜110分离，由第二离型薄膜收放装置10，获得的叠合层经过切割轮12切割后，经预浸料成品收卷筒11收卷筒收卷，获得目标产物－预浸料；
加热加压区8的温度为25℃～100℃，以降低黏度但不触发树脂反应为宜；热压导向滚筒5施加的压力为1～20kg/cm2，实际操作压力取决于增强物的每平方米的单重和树脂的黏度，具体的操作过程可参见“PrepregTechnology”Hexcel Corporation，March 2005，publication No.FGU 017b及美国专利5,387,301等文献公开的技术。
所述第二离型层薄膜的材料与第二离型层薄膜相同，为防粘纸或聚乙烯膜，可采用商业化的类似产品；
实施例1
采用图1～图2的装置，制备20公分宽环氧乙烯基酯树脂预浸料，进而制作复合材料板。
热固性树脂采用市售环氧乙烯基酯树脂。25℃的粘度为15,000cp。
增强纤维或织物采用市售1180克/平米的单向玻璃布。
离型薄膜采用市售聚乙烯薄膜。
工艺条件：
单向玻璃布和树脂层的重量比为100/35；
加热装置3的加热温度为40℃；
真空室7的真空度为735毫米水银柱，温度为50℃；
涂覆了热固性树脂的第一离型层薄膜与复合在树脂上的增强纤维或其织物在真空室中的停留时间40秒钟；
加热加压区8的温度为50℃，压力为1.5kg/cm2；
将5层获得的预浸料除去离型薄膜叠合后，放入附真空系统的平板模具。达到并保持700毫米水银柱后，然后放入60℃烘箱3小时，制成20公分宽，50公分长，0.4厘米厚的复合材料板。
检测结果如下：
0度方向拉伸强度为980MPa,按GB/T2567-2008测试；
0度方向拉伸模量为110GPa，按GB/T2567-2008测试。
实施例2
采用图1～图2的装置，制备20公分宽环氧树脂预浸料，进而制作复合材料板。
热固性树脂采用市售环氧树脂。25℃的粘度为2,800cp15,000cp。
增强纤维或织物采用市售1180克/平米的单向玻璃布。
离型薄膜采用市售聚乙烯薄膜。
工艺条件：
单向玻璃布和树脂层的重量比为100/32；
加热装置3的加热温度为50℃；
真空室7的真空度为750毫米水银柱，温度为60℃；
涂覆了热固性树脂的第一离型层薄膜与复合在树脂上的增强纤维或其织物在真空室中的停留时间30秒；
加热加压区8的温度为70℃压力为10kg/cm2；
将5层获得的预浸料除去离型薄膜叠合后，放入附真空系统的平板模具。达到并保持700毫米水银柱，然后放入110℃烘箱3小时，制成20公分宽，50公分长，0.4厘米厚的复合材料板。
检测结果如下：
0度方向拉伸强度为1050MPa，按GB/T2567-2008测试；
0度方向拉伸模量为105GPa，按GB/T2567-2008测试。

Claims (10)

1.复合材料用的预浸料真空辅助制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）涂覆了热固性树脂的第一离型层薄膜与复合在树脂上的增强纤维或其织物在真空环境下进行浸润，获得浸润物；
（2）完成真空辅助浸润过程后，将所述浸润物覆盖第二层离型薄膜后进入加热加压，即可获得所述复合材料用的预浸料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一离型层薄膜为防粘纸或聚乙烯膜，所述热固性树脂40℃时的粘度为2，000～30，000cp，所述热固性树脂为环氧树脂，乙烯基树脂和不饱和聚酯或聚氨脂，所述增强纤维或其织物为无机、有机或金属增强纤维或其织物。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，增强纤维或其织物与热固性树脂的重量比为100/28～100/40。
4.根据权利要求1～3任一项所述的方法，其特征在于，浸润时的真空度不低于700毫米水银柱。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，浸润时的真空度为720～750毫米水银柱。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，浸润时的温度为40℃～120℃。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，涂覆了热固性树脂的第一离型层薄膜与复合在树脂上的增强纤维或其织物在真空环境下的停留时间为30～60秒。
8.用于实现权利要求1～7任一项所述方法的装置，其特征在于，包括第一离型薄膜卷筒（1）、热固性树脂涂布设备（2）、加热装置（3）、增强纤维或其织物储存卷筒（4）、热压导向滚筒（5）、与真空源（6）相连通的真空室（7）、加热加压区（8）、冷却区（9）、第二离型薄膜收放装置（10）和预浸料成品收卷筒（11）；
所述真空室（7）的一侧设有进口（701），另一侧设有出口（702），所述进口（701）和出口（702）之间为加工通道（703），所述进口（701）和出口（702）均设有允许涂覆了热固性树脂（201）的第一离型层薄膜（101）与复合在热固性树脂上的增强纤维或其织物（401）通过并同时维持真空度的密封构件（30）；所述真空室（7）设置在所述第一离型薄膜卷筒（1）、树脂涂布设备（2）和增强纤维或织物储存卷筒（4）之后；
所述热压导向滚筒（5）、加热加压区（8）、冷却区（9）、第二离型薄膜收放装置（10）和预浸料成品收卷筒（11）依次设置在真空室（7）的另一侧。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述密封构件（30）包括上密封门帘（301）和下密封门帘（302），所述上密封门帘（301）的一端通过连接构件（303）与所述进口（4）和出口（5）的上端相连接，另一端向下延伸至所述的加工通道（703）；所述下密封门帘（302）的一端通过连接构件（303）与所述进口（4）和出口（5）的下端相连接，另一端向上延伸至所述的加工通道（703）。
10.根据权利要求8、9或10所述的装置，其特征在于，还包括切割轮（12），所述切割轮（12）设置在收卷筒（11）之前。
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